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《自然》: 麻省理工造出革命性材料, 比钢还硬, 比塑料还轻
发布日期:2022-05-11 20:05    点击次数:181

想象这样一种材料,比钢还硬一倍,但重量却只有钢的六分之一,并且还可以很容易地大规模生产出来。你一定会说,这当然是一种革命性的材料,可以彻底改变世界,然而这只是一种理想的材料,现实中完全不可能。

但你可能要大跌眼镜了,《自然》杂志2月2日发表了一项研究,美国麻省理工学院的研究人员已经制造出了这种“不可能”的材料,并且申请了两项专利。

这项研究来自麻省理工学院化学工程教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano) 领导的团队,第一作者是博士后曾玉伟(Yuwen Zeng)。

这种材料被命名为2DPA-1,是一种二维聚合物,可以自我组装成片状,从而形成了极其坚固的,比钢还强,和塑料一样轻的轻质材料。

聚合物也就是我们所称的塑料、塑胶等高分子材料,这些材料具有非常大的分子量,分子间由共价键将单体连接在一起,通过在末端添加新的分子而成长。一旦形成,聚合物可以通过注塑成型制造成三维物体,例如水瓶等。

此前聚合物被认为只能形成一维的,像意大利面条一样的链状结构,但高分子科学家也一直设想,能够通过某种方式诱导其生长为二维片材,从而带来强度上的极大提高,但密度仍然保持聚合物的低密度。

然而研究进行了几十年,所有的努力都失败了,因为科学家们发现,只要有一个单体向上或向下旋转,离开了生长片材的平面,材料就会在三维空间膨胀,从而导致片状结构的消失。科学家们因而得出一个令人无奈的结论,这种材料是不可能实现的。

麻省理工的研究人员使用了一种叫做三聚氰胺的化合物——没错,就是前些年牛奶里添加的那种臭名昭著的害人物质,这种物质含有碳和氮环的结构。

科学家们发现,在适当的条件下,这些单体可以在二维上生长,形成圆盘,相互堆叠,由各层之间的氢键固定在一起,结构变得非常稳定和牢固,从而生成了一种被称为聚酰胺的二维片材。

斯特拉诺形容说,他们不是在做一个意大利面条般的分子,而是片状的分子平面,让分子在二维上把自己勾在一起,这种机制可以在溶液中自发地发生,从而很容易地旋涂薄膜,而这种薄膜特别的坚固。正是因为它可以在溶液中自组装,因而可以通过简单地增加起始材料的数量,大量制造非常坚固但极薄的材料。

科学家们的研究表明,这种材料的弹性模量比防弹玻璃大4到6倍,其屈服强度,也就是打破材料所需的力量,是钢材的两倍,但密度只有钢材的六分之一。

2DPA-1还有一个特点,那就是聚合物由单体制成,像乐高积木一样锁在一起,气体无法渗透,因而可以制成超薄的涂层,完全阻止水和气体通过。

科学家们认为,这种高强度的轻质材料,可用于手机、汽车零件的轻质耐用涂层,也可用于桥梁及其他结构作为建筑材料。当然,更广泛的用途将在量产后得到大量开发,毕竟一种比钢还强一倍,但重量只有六分之一,还很容易制造的材料,其未来是不可限量的。